漆酶基因及工程菌与用途
技术领域
本发明涉及环境生物领域,特别涉及一种漆酶基因及漆酶基因工程菌与其在微生物法水解处理造纸废水中的应用。
背景技术
漆酶是一种结合多个铜原子的蛋白质,属于铜蓝氧化酶。漆酶作用底物相当广泛,能够对多种污染物如各种酚类染料、取代酚、氯酚、硫酚、双酚、芳香胺等。漆酶是近年发现在造纸工业中最具潜力的生物酶,具有催化氧化木素的能力。漆酶能选择性地催化木质素降解,不会产生有毒物质,并且生产在常温、常压的温和条件下进行,节约设备和能耗。因此漆酶在造纸工业废水处理等方面有着非常巨大的应用前景。
分泌漆酶的真菌主要有担子菌、多孔菌、半知菌、子囊菌、脉胞菌、柄孢壳菌和曲霉菌等属种,其中绝大部分分布于担子菌,其次是子囊菌,研究最多的是担子菌亚门的白腐菌,但是目前还没有在酵母中发现内源性漆酶的存在。(SUZUKIT,etal,2003)
随着研究的不断深入,人们发现一些原核生物也产漆酶,如1993年从稻草根上第一次分离出产漆酶的细菌——生脂固氮螺菌(Givaudan,etal.1993)。随后人们陆续在许多细菌中发现了漆酶如链霉菌、枯草芽孢杆菌、水生细菌、海洋细菌等。
毕赤酵母(Pichiapastoris)表达系统是近十年发展起来的真核表达体系,是目前最为成功的外源蛋白表达系统之一,与现有的其它表达系统相比,毕赤酵母在表达产物的加工、外分秘、翻译后修饰以及糖基化修饰等方面有明显的优势。将漆酶基因按毕赤酵母的密码子偏好性进行设计,在毕赤酵母中进行组成型表达,能大幅度提到基因的表达水平,同时应用于造纸废水的生物处理中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种漆酶的核苷酸序列,本发明按毕赤酵母密码子偏好性对漆酶基因进行优化,并将该基因在毕赤酵母中实现高效组成型表达,从而应用于造纸废水的生物处理中。
为了解决上述技术问题,本发明通过下述技术方案得以解决:
本发明所述优化后的漆酶基因编码的蛋白质,其氨基酸序列如SEQIDNO:1所示。
本发明的漆酶基因按如下毕赤酵母偏爱密码子的优先结构设计见表1:
氨基酸 |
代码 |
密码 |
氨基酸 |
代码 |
密码 |
Leu |
L |
TTG |
His |
H |
CAT |
Ile |
I |
ATT |
Gln |
Q |
CAA |
Met |
M |
ATG |
Asn |
N |
AAC |
Val |
V |
GTT |
Lys |
K |
AAG |
Ser |
S |
TCT |
Asp |
D |
GAT |
Pro |
P |
CCA |
Glu |
E |
GAA |
Thr |
T |
ACT |
Cys |
C |
TGT |
Ala |
A |
GCT |
Trp |
W |
TGG |
Phe |
F |
TTT |
Tyr |
Y |
TAC |
Arg |
R |
AGA |
Gly |
G |
GGT |
End |
|
TAA |
|
|
|
本发明的优化的漆酶基因采用连续延伸PCR方法制备而成,使用的基因模板为枯草芽孢杆菌的cotA基因序列(GENEID:936023)。
本发明还涉及含有所述基因的重组载体,将含有所述基因的重组载体转化至宿主菌(通常为毕赤酵母菌)中,进行表达,即可获得本发明漆酶。
本发明还涉及所述基因在制备重组漆酶中的应用。
本发明还涉及所述的漆酶在造纸废水生物处理中的应用。本发明的漆酶的最适温度是25~35℃,最适pH为4.5~5.5。
本发明由于采用了以上技术方案,具有显著的技术效果:
本发明提供了一种按毕赤酵母偏爱密码子优化的漆酶基因,能够在酵母菌中高效组成型表达,可提高漆酶的表达活力,对于促进漆酶在造纸废水生物处理中的应用具有重要意义。
附图说明
图1为漆酶的最适pH曲线;
图2为漆酶的最适温度曲线。
具体实施方式
下面结合附图1至附图2与实施例对本发明作进一步详细描述:
实施例1
漆酶基因密码子的优化
根据枯草芽孢杆菌的cotA基因序列(GENEID:936023),同时结合毕赤酵母表达的密码子偏好性,对cotA基因序列进行密码子优化,同时在基因全长上下游引入酶切位点:EcoRⅠ和NotⅠ。同时,为了防止优化后的基因序列含有EcoRⅠ酶切位点及后续DNA线性化BglII酶切位点,同时调整优化后基因的GC含量,故将第855个碱基A突变为G,第1098个碱基T突变为C。基因全长1542个碱基,编码514个氨基酸。优化后的漆酶基因命名为Tcot。
设计基因两端酶切位点和保护碱基,设计引物如下所示:
P1:ACGGAATTCATGACTTTGGAAAAGTTTGTTGATGCTTTGCCAATTCCAGATACTTTGAAGCCAGTTCAAC
P2:TTGATGAGTACATTCTTCCATAGTAACTTCGTAGTAAGTCTTTTCCTTAGATTGTTGAACTGGCTTCAAAGTA
P3:AGAATGTACTCATCAATTGCATAGAGATTTGCCACCAACTAGATTGTGGGGTTACAACGGTTTGTTTCCA
P4:TGTTCATCCACTTAACGTAAACGTTTTCGTTTCTCTTAACTTCAATAGTTGGACCTGGAAACAAACCGTT
P5:GTTAAGTGGATGAACAACTTGCCATCTACTCATTTTTTGCCAATTGATCATACTATTCATCATTCTGATTCTCA
P6:GGAGTAACACCACCATGCAAATGAACAACAGTCTTAACTTCTGGTTCTTCATGTTGAGAATCAGAATGATGA
P7:GCATGGTGGTGTTACTCCAGATGATTCTGATGGTTACCCAGAAGCTTGGTTTTCTAAGGATTTTGAACAAACT
P8:CACCTCTTTGTTGGTTTGGGTAATGGTAAACTTCTCTCTTAAAGTATGGACCAGTTTGTTCAAAATCCT
P9:ACCAACAAAGAGGTGCTATTTTGTGGTACCATGATCATGCTATGGCTTTGACTAGATTGAACGTTTACGCTG
P10:GCAACTTCAATCTCTTTTCCTTTGGATCATGAATAATGTAAGCACCAACCAAACCAGCGTAAACGTTCAAT
P11:AGAGATTGAAGTTGCCATCTGATGAATACGATGTTCCATTGTTGATTACTGATAGAACTATTAACGAAGAT
P12:GGGTTTGGCAAAGATGGAGATGGGTTTTCTGGAGCAGATGGGTAAAACAAAGAACCATCTTCGTTAATAGTT
P13:TCCATCTTTGCCAAACCCATCTATTGTTCCAGCTTTTTGTGGTGAAACTATTTTGGTTAACGGTAAGGTTTGG
P14:AGAAGCGTTAATAACTCTAAATCTGTACTTTCTTGGTTCAACTTCCAAGTATGGCCAAACCTTACCGTTAA
P15:AGAGTTATTAACGCTTCTAACACTAGAACTTACAACTTGTCTTTGGATAACGGTGGTGATTTTATTCAAATTGG
P16:AGCCAAAGAAAAAGAGTTCAACTTAACAGACCTTGGCAACAAACCACCATCAGAACCAATTTGAATAAAATCACC
P17:TGAACTCTTTTTCTTTGGCTCCAGCTGAAAGATACGATATTATTATTGATTTTACTGCTTACGAAGGTGAATCTAT
P18:AGCATCAGTTTCTGGGTTAACATCACCACCACAACCAGCAGAGTTAGCCAAAATAATAGATTCACCTTCGTAAGC
P19:TTAACCCAGAAACTGATGCTAACATTATGCAATTTAGAGTTACTAAGCCATTGGCTCAAAAGGATGAATCTAGAA
P20:ATGTTTTGGATTCTTTCATGTTGAACAGATGGGTAAGAAGCCAAGTACTTTGGCTTTCTAGATTCATCCTTTTGAG
P21:ACATGAAAGAATCCAAAACATTAGAACTTTGAAGTTGGCTGGTACTCAAGATGAATACGGTAGACCAGTTTTGTTGT
P22:GTAGTACCAACCTTTGGAGTTTCAGTAACTGGATCATGCCATCTCTTGTTGTTCAACAACAAAACTGGTCTACCGTAT
P23:AAACTCCAAAGGTTGGTACTACTGAAATTTGGTCTATTATTAACCCAACTAGAGGTACTCATCCAATTCATTTGCATT
P24:TTCTTGGTATCTAGCAATATCAAATGGTCTTCTATCCAAAACTCTAAAAGAAACCAAATGCAAATGAATTGGATGAGTA
P25:TTGATATTGCTAGATACCAAGAATCTGGTGAATTGTCTTACACTGGTCCAGCTGTTCCACCACCACCATCTGAAAAG
P26:TAGCAGCAATTCTCAAAACTTCACCAGCATGAGCTTGAATAGTATCCTTCCAACCCTTTTCAGATGGTGGTGGTGG
P27:GAAGTTTTGAGAATTGCTGCTACTTTTGGTCCATACTCTGGTAGATACGTTTGGCATTGTCATATTTTGGAACATGAAGATTACGATAT
P28:ACTGCGGCCGCTTACTTATGTGGATCAGTAATATCCATTGGTCTCATCATATCGTAATCTTCATGTTCCAAAATATG
PCR反应条件:
第一轮:以所有引物为模板。95℃2min;95℃30s,54℃20s,72℃30s,20个循环;72℃5min。
第二轮:以第一轮产物为模板,以P1和P28为引物。95℃3min;95℃1min,58℃30s,72℃1min,30个循环;72℃5min。PCR结束后,通过0.8%琼脂糖电泳检测大小。
实施例2
漆酶基因在酵母细胞中的表达
1、表达载体的构建
密码子优化后的PCR产物用EcoRⅠ/NotⅠ双酶切,回收片段,以正确的阅读框插入到同样双酶切的毕赤酵母组成型表达载体pGAPZaA(美国invitrogen公司)连接,转化E.coliDH5α,获得重组质粒pGAPZaA-Tcot。该重组质粒经EcoRⅠ/NotⅠ双酶切验证。
2、电转化感受态的制备
在含5mlYPD的50ml离心管中,培养酵母细胞,30度过夜;取30~50ul过夜培养物,接种含50ml新鲜培养基的250ml摇瓶,过夜生长至OD600=1.3~1.5;在4度,1500g离心5min收集细胞,用50ml预冷的灭菌水悬浮细胞;如上离心,用25ml预冷的灭菌水悬浮细胞;如上离心,用2ml预冷的1M山梨醇悬浮细胞;如上离心,用100ul预冷的1M山梨醇悬浮细胞。
3、电转化
将pGAPZaA-Tcot用BglII酶切线性化,将5~10ug线性化DNA与80uL电转化细胞混匀,转移到0.1cm电转化杯,冰浴5min。电转化参数:0.75kV,25uF,200Ω。电击后立即加入1mL预冷的1M山梨醇。复苏1h后取150ul涂布含有Zeocin抗性的YPD平板上培养。在30度孵育平板至克隆产生。
4、产漆酶转化子的筛选
将转化子平板上的单菌落分别培养保存,进行阳性克隆子和高效产漆酶转化子的筛选。
初筛培养基
Bavendamm氏反应培养基:在PDA固体培养基中加入鞣酸使其终浓度为0.4mmol/L;
氧化带测定培养基:在PDA固体培养基中加入愈创木酚使其终浓度为0.04%。
复筛培养基
马铃薯200g,葡萄糖20g,磷酸二氢钾3g,七水硫酸镁1.5g,酵母浸膏1g,蒸馏水1000mL,煮沸过滤,冷却后分装至250mL三角瓶,每瓶装入50mL培养基。
产酶基础培养基
葡萄糖30g,硝酸钠2g,七水硫酸镁0.5g,三水磷酸氢二钾1g,七水硫酸亚铁0.01g,氯化钾0.5g,蒸馏水1000mL,自然pH。
高产菌株的初筛。Bavendamm氏反应培养基常规灭菌倒平板,取培养好的直径12mm、7d菌龄待测菌塞2片接种于初筛平板,28℃生化培养箱培养,挑选菌丝生长良好,使鞣酸、愈创木酚二者变色能力强、变色速度快的平板,并接种于PDA斜面,一并于4℃保存。
高产菌株的复筛。在无菌条件下,用打孔器于初筛所得菌的平板上打孔,制成直径12mm菌塞,接入装有50mL产酶培养基的250mL三角瓶,每瓶接种2片,3个平行,28℃、120r/min振荡培养,每天取样测定漆酶活性,持续10d,选择漆酶活力高的菌株。
漆酶酶活力用愈创木酚法测定,一个酶活单位定义为在25℃条件下每分钟使1μmol的底物转化所需的酶量。
实施例3
漆酶的特性研究
1、pH值对漆酶活性的影响
将漆酶加入不同pH值的缓冲液体系中测定酶活力,pH设置从2.0到10.0,每隔0.5取点测定。酶活性测定反应在25℃进行,反应时间为15min。结果如图1所示,漆酶的最适pH值为4.5~5.5,在pH4.0到pH6.5范围内,漆酶酶活能保持在50%以上。
2、温度对漆酶活性的影响
漆酶的最适反应温度测定在最适pH值下进行,反应时间为15min,温度设置从15℃到75℃,每隔5℃取点测定。结果如图2示,漆酶的最适温度为25~35℃,20~45℃时的酶活能保持60%以上。
实施例4
漆酶基因工程菌在造纸废水处理中的应用
由于基因工程菌中漆酶为组成型表达,因此可将基因工程菌进行扩大培养后,按0.05%的添加量添加到某造纸废水处理厂SBR工艺(序列间歇式活性污泥法)曝气池中进行处理。与对照组相比,漆酶基因工程菌可将造纸废水处理效率提高10%,在未来的造纸废水处理中有重要的应用意义。
总之,以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰,皆应属本发明专利的涵盖范围。
SEQUENCELISTING
<110>浙江商达环保有限公司
<120>漆酶基因及工程菌与用途
<160>2
<170>PatentInversion3.4
<210>1
<211>513
<212>PRT
<223>人工序列
<400>1
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EVKRNENVYVKWMNNLPSTHFLPIDHTIHHSDSQHEEPEVKTVVHLHGGVTPDDSDGYPE120
AWFSKDFEQTGPYFKREVYHYPNQQRGAILWYHDHAMALTRLNVYAGLVGAYIIHDPKEK180
RLKLPSDEYDVPLLITDRTINEDGSLFYPSAPENPSPSLPNPSIVPAFCGETILVNGKVW240
PYLEVEPRKYRFRVINASNTRTYNLSLDNGGDFIQIGSDGGLLPRSVKLNSFSLAPAERY300
DIIIDFTAYEGESIILANSAGCGGDVNPETDANIMQFRVTKPLAQKDESRKPKYLASYPS360
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IHLHLVSFRVLDRRPFDIARYQESGELSYTGPAVPPPPSEKGWKDTIQAHAGEVLRIAAT480
FGPYSGRYVWHCHILEHEDYDMMRPMDITDPHK513
<210>2
<211>1542
<212>DNA
<223>人工序列
<400>2
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